(57)【要約】【課題】  ＡｌＮバッファ層とＧａＮ系ＦＥＴの性能および信頼性との関係を明確にし、性能および信頼性の優れた半導体装置およびその製造方法並びにその半導体装置製造用基板を提供すること。【解決手段】  基板（１０）と、基板（１０）上に設けられた膜厚が５から４０ｎｍの窒化アルミニウムからなるバッファ層（１２）と、バッファ層（１２）上に設けられた窒化ガリウム系半導体からなる動作層（２０）と動作層（２０）上に設けられた制御電極（２６）と、を具備する半導体装置およびその製造方法並びに半導体装置製造用基板。【選択図】  図４
2006286741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板上に設けられた膜厚が５から４０ｎｍの窒化アルミニウムからなるバッファ層と、
該バッファ層上に設けられた窒化ガリウム系半導体からなる動作層と、
該動作層上に設けられた制御電極と、を具備することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記バッファ層の膜厚は５から２５ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記基板は、炭化シリコン、サファイアおよび窒化ガリウム系半導体のいずれかからなることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記動作層には、前記バッファ層上に設けられた、膜厚が０．５〜２．０μｍの窒化ガリウム層を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
有機金属気相成長法を用い、基板上に膜厚が５から４０ｎｍの窒化アルミニウムからなるバッファ層を形成する工程と、
有機金属気相成長法を用い、前記バッファ層上に窒化ガリウム系半導体からなる動作層を形成する工程と、
前記動作層上に制御電極を形成する工程と、を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記バッファ層は、膜厚が５から２５ｎｍであることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記基板は、炭化シリコン、サファイアおよび窒化ガリウム系半導体のいずれかからなることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記動作層は、前記バッファ層上に設けられた膜厚が０．５から２．０μｍの窒化ガリウム層を含むことを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
基板と、
該基板上に設けられた膜厚が５から４０ｎｍの窒化アルミニウムからなるバッファ層と、を具備することを特徴とする半導体装置製造用基板。
【請求項１０】
前記バッファ層の膜厚は５〜２５ｎｍであることを特徴とする請求項９記載の半導体装置製造用基板。
【請求項１１】
前記基板は、炭化シリコン、サファイアおよび窒化ガリウム系半導体のいずれかからなることを特徴とする請求項９記載の半導体装置製造用基板。
【請求項１２】
前記バッファ層上に設けられた膜厚が０．５〜２．０μｍの窒化ガリウム層を含む動作層を更に具備することを特徴とする請求項９記載の半導体装置製造用基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置およびその製造方法並びにその半導体装置製造用基板、特に、ＧａＮ系半導体を用いた半導体装置およびその製造方法並びにその半導体装置製造用基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム系半導体（以下、ＧａＮ系半導体）を用いた半導体装置、例えばＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）等のＦＥＴ（Field Effect Transistor）は、携帯電話基地局用増幅器などの高周波数かつ高出力で動作する高周波高出力増幅用素子として注目されている。ＧａＮ系半導体とは、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アリミニウム（ＡｌＮ）および窒化インジウム（ＩｎＮ）のいずれかまたはこれらの混晶らなる半導体である。ＧａＮ系半導体を用いたＦＥＴ(以下、ＧａＮ系ＦＥＴ)においては、より高性能、高信頼性を実現するための技術開発が進められている。
【０００３】
一方、特許文献１には、基板上に窒化アルミニウムからなるバッファ層（以下、ＡｌＮバッファ層）を成長し、ＡｌＮバッファ層上にＧａＮ層を成長するＧａＮ系半導体の製造方法(以下、従来技術)が開示されている。従来技術につき説明する。サファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化合物気相成長法）を用い膜厚が５０ｎｍのＡｌＮバッファ層を形成する。このときの成膜条件は、基板温度が４００℃であり、原料ガスとしてＮＨ３およびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を用いている。その後、基板温度を１１５０℃に昇温し、ＧａＮ層を形成する。
【特許文献１】特開２００２−５７３７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１においては、ＡｌＮバッファ層の成膜方法が開示されているのみである。このように、従来、ＡｌＮバッファ層とＧａＮ系ＦＥＴの性能および信頼性との関係は明確ではなかった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑み、ＡｌＮバッファ層とＧａＮ系ＦＥＴの性能および信頼性との関係を明確にし、性能および信頼性の優れた半導体装置およびその製造方法並びにその半導体装置製造用基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、基板と、該基板上に設けられた膜厚が５から４０ｎｍの窒化アルミニウムからなるバッファ層と、該バッファ層上に設けられた窒化ガリウム系半導体からなる動作層と、該動作層上に設けられた制御電極と、を具備するである半導体装置。本発明によれば、バッファ層の膜厚を５から４０ｎｍとすることにより、性能および信頼性の優れた半導体装置を提供することができる。
【０００７】
本発明は、前記バッファ層の膜厚は５から２５ｎｍであることを特徴とする半導体装置とすることができる。本発明によれば、さらに、性能および信頼性の優れた半導体装置を提供することができる。
【０００８】
本発明は、前記基板は、炭化シリコン、サファイアおよび窒化ガリウム系半導体のいずれかからなる半導体装置とすることができる。本発明によれば、バッファ層および動作層の結晶性を向上させることができ、性能および信頼性の優れた半導体装置を提供することができる。
【０００９】
本発明は、前記動作層には、前記バッファ層上に設けられた、膜厚が０．５〜２．０μｍの窒化ガリウム層を含む半導体装置とすることができる。本発明によれば、２ＤＥＧの移動度を高くし、性能の優れた半導体装置を提供することができる。
【００１０】
本発明は、有機金属気相成長法を用い、基板上に膜厚が５から４０ｎｍの窒化アルミニウムからなるバッファ層を形成する工程と、有機金属気相成長法を用い、前記バッファ層上に窒化ガリウム系半導体からなる動作層を形成する工程と、前記動作層上に制御電極を形成する工程と、を具備する半導体装置の製造方法である。本発明によれば、バッファ層の膜厚を５から４０ｎｍとすることにより、性能および信頼性の優れた半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００１１】
本発明は、前記バッファ層は、膜厚が５から２５ｎｍである半導体装置の製造方法とすることができる。本発明によれば、さらに、性能および信頼性の優れた半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００１２】
本発明は、前記基板は、炭化シリコン、サファイアおよび窒化ガリウム系半導体のいずれかからなる半導体装置の製造方法とすることができる。本発明によれば、バッファ層および動作層の結晶性を向上させることができ、性能および信頼性の優れた半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００１３】
本発明は、前記動作層は、前記バッファ層上に設けられた膜厚が０．５から２．０μｍの窒化ガリウム層を含む半導体装置の製造方法とすることができる。本発明によれば、２ＤＥＧの移動度を高くし、性能の優れた半導体装置を提供することができる。
【００１４】
本発明は、基板と、該基板上に設けられた膜厚が５から４０ｎｍの窒化アルミニウムからなるバッファ層と、を具備する半導体装置製造用基板である。本発明によれば、バッファ層の膜厚を５から４０ｎｍとすることにより、性能および信頼性の優れた半導体装置を製造することが可能な半導体装置製造用基板を提供することができる。
【００１５】
本発明は、前記バッファ層の膜厚は５〜２５ｎｍである半導体装置製造用基板とすることができる。本発明によれば、さらに、性能および信頼性の優れた半導体装置を製造することが可能な半導体装置製造用基板を提供することができる。
【００１６】
本発明は、前記基板は、炭化シリコン、サファイアおよび窒化ガリウム系半導体のいずれかからなる半導体装置製造用基板とすることができる。本発明によれば、本発明によれば、バッファ層および動作層の結晶性を向上させることができ、性能および信頼性の優れた半導体装置製造用基板を提供することができる。
【００１７】
本発明は、前記バッファ層上に設けられた膜厚が０．５〜２．０μｍの窒化ガリウム層を含む動作層を更に具備する半導体装置製造用基板とすることができる。本発明によれば、２ＤＥＧの移動度を高くし、性能の優れた半導体装置製造用基板を提供することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ＡｌＮバッファ層とＧａＮ系ＦＥＴの性能および信頼性との関係を明確にすることにより、性能および信頼性の優れた半導体装置およびその製造方法並びにその半導体装置製造用基板を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の発明者は、ＡｌＮバッファ層とＧａＮ系ＦＥＴの性能および信頼性との関係を明確にした。以下、説明する。実施例１にて説明する構成および製造方法のうちＡｌＮバッファ層の膜厚のみを変えてＧａＮ系ＦＥＴを作製した。図１は、作製したＧａＮ系ＦＥＴのピンチオフ時漏れ電流（Ｉｏｆｆ）のＡｌＮバッファ層の膜厚依存を示した図である。ピンチオフ時漏れ電流（Ｉｏｆｆ）とは、ＦＥＴをオフさせたときにドレイン電極とソース電極の間に流れる電流のことである。図１では、ドレイン電圧（Ｖｄｓ）が５０Ｖ、ゲート電圧（Ｖｇｓ）がＦＥＴのしきい値電圧（Ｖｔｈ）−０．５Ｖのときの、単位ゲート幅あたりのドレイン電流をＩｏｆｆとしている。
【００２０】
Ｉｏｆｆが大きいことはＧａＮ系ＦＥＴの性能上好ましくない。Ｉｏｆｆが１×１０−３Ａ／ｍｍを越えると、例えば、高周波かつ高出力で動作させた場合、効率や歪み特性が劣化してしまう。これでは、例えば高周波高出力増幅器として動作させるには好ましくない。図１より、ＡｌＮバッファ層の膜厚が５ｎｍより薄くなると、Ｉｏｆｆが１×１０−３Ａ／ｍｍより大きくなってしまう。これは、ＡｌＮバッファ層の膜厚が薄くなると、ＡｌＮバッファ層とバッファ層上のＧａＮ層の界面が低抵抗化するためである。
【００２１】
一方、図２は、同様に作製されたＧａＮ系ＦＥＴのＡｌＮバッファ層の膜厚を変えたときの高周波出力遮断時の電流変化率（以下、電流変化率）のＡｌＮバッファ層の膜厚依存を示した図である。電流変化率とは、高周波出力を遮断したときのドレイン電流（Ｉ（ＲＦ−ｏｆｆ））の高周波動作前のドレイン電流（Ｉ（ＤＣ））からの変化量のＩ（ＤＣ）に対する比である。すなわち、｛Ｉ（ＤＣ）−Ｉ（ＲＦ−ｏｆｆ）｝／Ｉ（ＤＣ）で表される。図２は、ドレイン電圧（Ｖｄｓ）が５０Ｖのときを示している。
【００２２】
電流変化率が大きいことは高周波高出力動作中にドレイン電流が変動していることを示している。このように、電流変化率が大きいことはＧａＮ系ＦＥＴの信頼性上好ましくない。ＧａＮ系ＦＥＴを、例えば高周波高出力増幅器に使用するには、電流変化率は０．７以下が好ましく、より好ましくは０．５以下である。図２より、ＡｌＮバッファ層の膜厚が約４０ｎｍより厚くなると、電流変化率は０．７より大きくなり、２５ｎｍより厚くなると、電流変化率は０．５より大きくなる。
【００２３】
以上より、ＧａＮ系ＦＥＴのＩｏｆｆと電流変化率の両方を満足するため、すなわち、性能と信頼性の両方を満足するためには、ＡｌＮバッファ層の膜厚は、５から４０ｎｍが好ましく、より好ましくは５から２５ｎｍである。以下、図面を参照し本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００２４】
図３は実施例１に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造するための半導体装置製造基板の断面図である。半導体装置製造基板は以下のようにして作製した。炭化シリコンからなる（ＳｉＣ）基板１０上にＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用い、基板温度が１３００℃で、１８ｎｍの膜厚を有するＡｌＮバッファ層１２を形成した。ＡｌＮバッファ層１２の成長は、成長用ガスとしてＴＭＡＩ（トリメチルアルミニウム）、ＮＨ３（アンモニア）ガスを用い、Ｖ／III比が１００００、圧力が６．７ｋＰａ（５０ｔｏｒｒ）の成長条件で行った。ＡｌＮバッファ層１２は、実施例１の成長条件以外であっても、例えば基板温度は８００〜１４００℃、Ｖ／III比は１０００〜１０００００、圧力は３．３〜１０１．３Ｐａ（２５〜７６０ｔｏｒｒ）の範囲で成長することができる。
【００２５】
ここで、基板１０は、例えば窒化物系半導体として、ＧａＮ系半導体またはサファイアからなる基板を用いることもできる。これらの基板を用いることにより、結晶性の良いＡｌＮバッファ層１２およびＧａＮ系半導体動作層２０を形成することができる。これにより、高性能かつ高信頼性なＧａＮ系ＦＥＴを提供することができる。
【００２６】
さらに、成長温度を１２５０℃とし、ＧａＮ系半導体からなる動作層２０として、１．５μｍの膜厚を有する不純物を添加していないＧａＮ電子走行層１４、膜厚が３０ｎｍ、Ｓｉを添加しｎ型キャリア濃度が３×１０１８ｃｍ−３、ＡｌＮ混晶比が０．２５のＡｌＧａＮ電子供給層１６、膜厚が１０ｎｍ、Ｓｉを添加しｎ型キャリア濃度が５×１０１８ｃｍ−３、ＧａＮキャップ層１８を順次形成した。
【００２７】
ＧａＮ電子走行層１４の成長は、成長用ガスとして、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＮＨ３ガスを用い、Ｖ／III比が５０００、圧力が１３．３Ｐａ（１００ｔｏｒｒ）の成長条件で行った。ＴＭＧａの代わりにＴＥＧａ（トリエチルガリウム）を使用することもできる。ＴＥＧａを使用する場合は、例えば圧力は６．７ｋＰａ（５０ｔｏｒｒ）とする。また、ＧａＮ電子走行層１４の成長は、実施例１の成長条件以外であっても、例えば、基板温度は１０００〜１４００℃、Ｖ／III比は１０００〜１０００００、圧力は３．３〜１０１．３ｋＰａ（２５〜７６０ｔｏｒｒ）の範囲で成長することができる。
【００２８】
ＡｌＧａＮ供給層１６の成長は、成長用ガスとしてはＴＭＧａ、ＴＭＡＩ、ＮＨ３、ＳｉＨ４（シラン）ガスを用い、Ｖ／III比が４０００、圧力が６．７ｋＰａ（５０ｔｏｒｒ）の条件で行った。ＴＭＧａの代わりにＴＥＧａを使用することもできる。また、ＡｌＧａＮ供給層１６の成長は、実施例１の成長条件以外であっても、例えば、基板温度は１０００〜１４００℃、Ｖ／III比は１０００〜１０００００、圧力は３．３〜１０１．３ｋＰａ（２５〜７６０ｔｏｒｒ）の範囲で成長することができる。
【００２９】
ＧａＮキャップ層１８の成長は、成長用ガスとしてはＴＭＧａ、ＮＨ３、ＳｉＨ４ガスを用い、Ｖ／III比が２５００、圧力が１３．３ｋＰａ（１００ｔｏｒｒ）の条件で行った。ＴＭＧaの代わりにＴＥＧａを使用することもできる。また、ＧａＮキャップ層１８の成長は、実施例１の成長条件以外であっても、例えば基板温度は１０００〜１４００℃、Ｖ／III比は１０００〜１０００００、圧力は３．３〜１０１．３ｋＰａ（２５〜７６０ｔｏｒｒ）の範囲で成長することができる。以上により、半導体装置製造用基板が完成する。
【００３０】
次に、上記半導体装置製造用基板を用い実施例１に係るＧａＮ系ＦＥＴを作製した。図４は実施例１に係るＧａＮ系ＦＥＴの断面図である。上記半導体装置製造用基板を用い、ＧａＮキャップ層１８上、すなわち動作層２０上に窒化珪素膜２２を、例えばＣＶＤ法で形成した。その後、ＧａＮキャップ層１８上、すなわち動作層２０上に、ゲート電極２６（制御電極）を、例えばＮｉ／Ａｕを蒸着法およびリフトオフ法で形成した。ゲート電極２６の両側にソース電極２４およびドレイン電極２８として、例えばＴｉ／Ａｌを蒸着法およびリフトオフ法で形成した。以上で実施例１に係るＧａＮ系ＦＥＴが完成する。
【００３１】
実施例１に係るＧａＮ系ＦＥＴは、基板１０と、基板１０上に設けられた膜厚が１８ｎｍ（すなわち、５から４０ｎｍ）のＡｌＮバッファ層（窒化アルミニウムからなるバッファ層）１２と、バッファ層１２上に設けられたＧａＮ系半導体動作層（窒化ガリウム系半導体からなる動作層）２０と、動作層２０上に設けられたゲート電極（制御電極）２６と、を具備する。また、動作層２０には、バッファ層１２上に設けられた、膜厚が１．５μｍ（すなわち０．５から２．０μｍ）の電子走行層（窒化ガリウム層）１４を具備する。
【００３２】
電子走行層１４は、電子供給層１６との界面付近に２次元電子ガス（２ＤＥＧ）３０を形成し、電子を走行させるチャネル層として機能する。２ＤＥＧは高電子移動度であり、これによりＧａＮ系ＦＥＴは例えば高利得といった高性能での動作が可能となる。電子走行層１４の膜厚は、０．５μｍより薄いと、結晶歪のため低移動度となる。また２．０μｍより厚いと、クラックが生じる場合がある。よって、電子走行層１４の膜厚は、例えば０．５〜２．０μｍが好ましい。さらに、１．０〜１．５μｍがより好ましい。これにより、高性能なＦＥＴを再現良く製造することが可能となる。
【００３３】
電子供給層１６は電子走行層１４に電子を供給し、２ＤＥＧを発生させる機能を有する。キャップ層１８は、ソース電極２４およびドレイン電極２８と動作層２０をオーミックコンタクトする機能を有する。また、電子供給層１６を保護する機能も有している。窒化珪素膜２２は動作層２０を保護する機能を有し、窒化珪素以外の絶縁体を使用することもできる。
【００３４】
ソース電極２４およびドレイン電極２８はキャップ層１８にオーミックコンタクトしている。ソース電極２４から２ＤＥＧを通過しドレイン電極２６に至る電子が、ゲート電極２６で制御することによりＦＥＴとして機能する。
【００３５】
実施例１に係るＧａＮ系ＦＥＴにおいては、ＡｌＮバッファ層１２の膜厚を１８μｍとし、５ｎｍから４０ｎｍの範囲、さらに５ｎｍから２５ｎｍｎ範囲とすることにより、Ｉｏｆｆを１×１０３Ａ／ｍｍとしかつ電流変化率を０．７以下さらに０．５以下とすることができた。これにより、高性能かつ高信頼性のＧａＮ系ＦＥＴを提供することができた。
【００３６】
さらに、図３に示した実施例１に係るＧａＮ系ＦＥＴの作製に用いた半導体装置製造用基板は、基板１０と、基板１０上に設けられた膜厚が１８ｎｍ（すなわち、５から４０ｎｍ）のＡｌＮバッファ層（窒化アルミニウムからなるバッファ層）１２と、を具備する。さらに、バッファ層１２上に設けられた膜厚が１．５μｍ（すなわち０．５から２．０μｍ）の電子走行層（窒化ガリウム層）１４を含む動作層２０を更に具備する。この半導体装置製造用基板を用い、ＧａＮ系ＦＥＴを製造することにより、高性能かつ高信頼性のＧａＮ系ＦＥＴを製造することができた。
【００３７】
動作層２０は、実施例１で用いた構成以外であっても、ＧａＮ系半導体層、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮおよびＩｎＮのいずれかの半導体またはこれらの混晶からなる半導体層とすることができる。この場合であっても、実施例１同様、高性能かつ高信頼性のＧａＮ系ＦＥＴを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図1はＡｌＮバッファ層に対するＩｏｆｆを示した図である。
【図２】図２はＡｌＮバッファ層に対する電流変化率を示した図である。
【図３】図３は実施例１に係るＧａＮ系ＦＥＴを製造するための半導体製造用基板の断面図である。
【図４】図４は実施例1にかかるＧａＮ系ＦＥＴの断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０            ＳｉＣ基板
１２            ＡｌＧａＮバッファ層
１４            ＧａＮ電子走行層
１６            ＡｌＧａＮ電子供給層
１８            ＧａＮキャップ層
２０            ＧａＮ系半導体動作層
２２            窒化珪素膜
２４            ソース電極
２６            ゲート電極(制御電極)
２８            ドレイン電極
３０            ２ＤＥＧ
【図１】
2006286741.tif 000003
【図２】
2006286741.tif 000004
【図３】
2006286741.tif 000005
【図４】
2006286741.tif 000006